Порошковые и композиционные материалы

В различных частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При последующем спекании усадка может оказаться неоднородной, и недопрессованная часть будет плохо спекаться. Поэтому прессование проходит лучше при наличии деталей небольшой высоты. Вместе с тем порошок не может, подобно жидкости, заполнить очень сложную фасонную форму; следовательно, из порошковых сплавов можно изготовлять детали сравнительно не очень сложной формы.

 

 

Спекание. Для спекания порошковых сплавов применяют электропечи с металлическим сопротивлением, с угольными сопротивлениями в виде труб и высокочастотные. Спекание производится в защитной атмосфере. Для спекания медных сплавов, железа и фрикционных материалов применяют защитные атмосферы, получаемые при частичном сжигании газа. При спекании вольфрама, молибдена, твердых сплавов, магнитных и электротехнических материалов применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 температуры плавления металла, например для меди 800-850° С, для железа — 1050-1150° С. Длительность спекания примерно 2—3 ч. Различаются два основных типа спекания — спекание однокомпонентной системы, спекание многокомпонентной системы с образованием или без образования жидкой фазы. При спекании происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает подвижность атомов, происходит изменение контактной поверхности  частиц, которая большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений в местах контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированные газы и жидкости, и результате контакт становится металлическим.

В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленных явлений, происходит образование твердых растворов, диффузия и образование химических соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления, например порошков карбида вольфрама с порошком кобальта, образуется жидкая фаза, которая капиллярными силами стягивает не расплавившиеся частицы. В результате получаются плотные детали. Иногда, например, при производстве медно-вольфрамовых электродов, сначала прессуют и спекают порошковый вольфрамовый каркас, потом пропитывают его расплавленной медью. Спекание обычно сопровождается усадкой, которая тем больше, чем выше температура спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей; поэтому детали, требующие высокой точности, например подшипники н зубчатые колеса, после спекания калибруют путем протягивания через сквозные прессформы. У сплавов, образующих жидкую фазу, усадка и процессе спекания составляет 5 - 25%, а у сплавов, не образующих жидкой фазы, 0,5—2,5%.

Горячее прессование, совмещающее прессование и спекание, благодаря ряду преимуществ начинает, распространяется всё шире. При горячем прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10% давления обычного прессования. Порошок лучше заполняет форму, и горячее прессование позволяет получать детали более сложной формы и более точных размеров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится электрическим током.

 

IV. ПРОЧИЕ ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ

 

Антифрикционные сплавы. Пористые, пропитываемые маслом подшипники очень удобны в труднодоступных узлах трения и обеспечивают высокую износостойкость при малом коэффициенте трения. Кроме того, они могут заменять бронзу или позволяют более экономно расходовать цветные металлы, но наличие пор снижает их прочность и поэтому для тяжело нагруженных подшипников, например коренных и шатунных двигателей, они не применяются. Пористые подшипники изготовляют из железного или медного порошка. Если нет опасности ржавления, то подшипники изготовляются из смеси железного порошка с графитом, который добавляется в количестве 1—2%.

Пористость в таких подшипниках 20 - 30%. После прессования и спекания они пропитываются маслом, где коррозия возможна, там применяются

бронзовые подшипники.

Пористые бронзовые подшипники изготовляют из смеси порошков 88% Сu, 10% Sn и 2% графита. Пористые подшипники обладают хорошими антифрикционными качествами, но менее прочны, чем сплошные, поэтому их нельзя применять при больших нагрузках, например для шатунных и коренных подшипников двигателя.

Эти материалы отличаются способностью саморегулировать подачу смазки.

На контактной поверхности трущейся нары образуется непрерывная пленка.

этим обеспечивается жидкое трение.

К антифрикционным автомобильным деталям та к же относятся направляющие втулки клапана, шестерни масляного насоса и т. д., которые изготовляются из смеси порошков 96% Fe +2,5% Сu +1,5% графита; после прессования и спекания они отжигаются при температуре 740 и 715° С, т. е. производится отжиг на зернистый перлит. Содержание углерода после спекания не менее 0,8%. Наиболее желательной, обеспечивающей высокое качество пористых железо графитных подшипников структурой является перлит с графитными включениями; в случае наличия у чих ферритной структуры они быстро изнашиваются, налипают на шейку вала и имеют высокий коэффициент трения. Цементит в структуре железо графитных подшипников, хотя и повышает их сопротивление износу, но изнашивает и царапает шейку вала и также повышает коэффициент трения.

 

 

 

Фрикционные материалы. К фрикционным материалам предъявляются следующие требования: они должны иметь высокий коэффициент трения, обеспечивающий плавность торможения и минимальную пробуксовку и износостойкость как собственную» так н сопряженной стальной поверхности. Кроме того, они должны иметь хорошую прирабатываемость, не заедать н обладать высокой теплопроводностью. Всем этим требованиям  может отвечать только порошковый сплав, представляющий целый комплекс различных материалов с различными свойствами.

По условиям эксплуатации фрикционные материалы могут работать:

1)в масляной ванне, например  в автоматических коробках передач  современных автомобилей с фрикционными  дисками и тормозными лентами:

2) при сухом трении, например тормозные накладки фрикционных механических прессов.

Фрикционные материалы изготовляются из порошков меди, олова, железа

и других, образующих металлическую их основу, куда добавляются в небольшом количестве порошки кремния, двуокиси кремния (SiO2), асбеста и пр. для повышения коэффициента трения, а также порошка графита, талька, свинца и пр. для создания смазки на поверхностях трения,

Изменяя дозировку добавок, увеличивающих коэффициент трения и  добавок, его снижающих, можно получить необходимые фрикционные свойства порошкового сплава, т. е. исключить пробуксовку обильно смазанных трущихся поверхностей при очень высокой износостойкости и фрикционного материала

и сопряженной с ним стали.

Например, в автомобильной промышленности для работы в масле применяется фрикционный сплав из следующих порошков; 60% Сu, 10% Sn, 4%

Fe, 7% Pb, 4%; графита, 8% пульвер-бакелита и 7% асбеста.

Фрикционные сплавы отличаются невысокой прочностью, поэтому они применяют» я в виде топкого слоя или на стальном диске, или на стальной ленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканием порошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием.

В условиях сухого трения при торможении развивается более высокая температура и поэтому приходится применять вместо медной основы железную,отличающуюся более высокой температурой плавления.

 

         Пористые фильтры. Из шарообразных порошков бронзы или сплавов никеля с медью или чистого никеля изготовляют металлические фильтры с объемом пор, достигающим 80% от общего объема изделия. Такие фильтры применяют в химической промышленности, а также в качестве топливных фильтров в двигателях.

Конструкционные материалы. Порошковая металлургия в данном случае

должна упрощать технологический процесс, для сокращения расхода металла и снижения трудоемкости производства. Например, детали простейшей формы:

небольшие шестерни, шайбы и т. д. из углеродистой или из легированной стали с успехом изготовляются методами порошковой металлургии. Порошковые сплавы также применяются для производства прецизионных сплавов, т. е. сплавов с очень небольшими колебаниями в химическом составе, биметаллов и комплексных сплавов с разным составом поверхности и сердцевины, а также особо жаропрочных сплавов и материалов для ракет н ядерных реакторов.

Электротехнические сплавы. Особенно широко порошковые сплавы применяются в электротехнике. Постоянные магниты небольшого размера, полученные из порошков Fe—Al—Ni сплавов (альни) или F'e—А1—Ni—Со сплавов (альнико), отличаются мелко зернистостью, в отличие от литых магнитов из этих сплавов, которые крупнозернисты. Кроме того, порошковые сплавы лишены литейных дефектов: раковин, ликвации и т. д. Это позволяет получить однородную плотность магнитного потока. Допуски в размерах постоянных магнитов из порошковых сплавов гораздо уже, что сводит до минимума их механическую обработку, которая ограничивается одним шлифованием.

Порошковые сплавы позволяют соединить жаро- и износостойкость вольфрама, молибдена, никеля и графита с высокой электропроводностью меди и серебра.

Из порошковых сплавов изготовляют электрические контакты. Сопротивление контактов искре повышается при комбинации серебра с окисью кадмия. Высокая электропроводность серебра обеспечивается его чистотой, а также отсутствием элементов, которые могут образовывать с  серебром твердые растворы.

Порошковые сплавы применяют при изготовлении ряда электро- и радио-технических деталей из порошков альсифера, ферритона и карбонильного железа.

Из порошковых сплавов изготавливают электроды для дуговой

сварки, из смеси графита с медным порошком изготовляют износостойкие щетки электродвигателей. Железные порошки применяют для изготовления полюсов электродвигателей постоянного тока.

Тугоплавкие металлы и тяжелые сплавы. Из порошков методом восстановления из окислов получают металлы с очень высокой температурой плавления — вольфрам, молибден, тантал/ниобий и др. Сначала в потоке водорода восстанавливаются из окислов чистые металлы, получаемые в виде порошков. Их прессуют в брикеты и нагревают током. Далее производят ковку и прокатку. Все эти операции с вольфрамом и молибденом производят в атмосфере водорода, а с титаном н танталом—в вакууме, так как последние очень сильно поглощают газы при высоких температурах. Если металл предназначен для нитей электроламп, в него добавляют вещество, препятствующее росту зерна при высоких температурах, например окись тория.

Из порошков изготовляют также «тяжелый сплав» состава 90% W, 7,5 Ni и 2,5% Си, имеющий удельный вес до 17 и высокие механические свойства, применяемый, например, в качестве противовесов там, где по условиям конструирования места для них мало.

 

Керметы. Керметами называются порошковые сплавы, являющиеся композициями керамических материалов с металлами и предназначаемые для детален, работающих при высоких температурах или в агрессивной коррозионной среде.

Керметы сочетают жаропрочность, коррозионную стойкость и твердость керамических материалов (карбидов, окислов, боридов, нитридов и силицидов) с вязкостью, теплопроводностью и стойкостью при перемене температуры металлов.

Наиболее подходящим керамическим мат риалом дли этих сплавов в настоящее время является карбид титана TiC благодаря его жаропрочности, окалин стойкости и способности противостоять тепловому удару, т. е. не разрушаться при внезапных и сильных изменениях температуры.

Связующим металлом для керметов берут жаропрочный сплав из порошков никеля, кобальта н хрома, иногда с небольшим количеством молибдена. Введение хрома повышает сопротивление ползучести и окалин стойкость керметов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айзенкольб Ф. Порошковая металлургия. М., Металлургиздат 1959.

2. Андриевский Р. А. Пористые  металлокерамические материалы. М., 

    Металлургия, 1964.

3. Бальшин М. Ю. Порошковое металловедение. М., Металлургиздат 1948. 

4. Борок Б. А. и  Ольхов И. И, Порошковая металлургия. М.. Металлургиздат, 

    1948,

5. Виноградов Г. А. и др. Прессование и прокатка металлокерамнческих

    материалов. М., Машгиз, 1963.

6. Вопросы порошковой  металлургии и прочности материалов. Вып. I—VI.

    Киев, АН УССР, 1956—1959, в настоящее время журнал  «Порошковая 

    металлургия», АН УССР.

7. Киффер Р., Шварцкопф П. Твердые сплавы. М., Металлургиздат, 1957.

      8. Порошковая  металлургия. М. Металлургиздат, 1954.

9. Раковский В. С. и др. Твердые сплавы в машиностроении. М., Машгиз, 

    1955.

10.Федорченко И. М., Андриевский  Р. Л. Основы порошковой 

      металлургии. Киев, AИ УССР, 1963.